5、伸缩式开合膜结构

格鲁吉亚Batumi夏季音乐厅位于首都第比利斯，椭圆状147m×105m，9000座。固定的舞台屋盖为钢桁架系统，有3°倾斜，覆盖5500m2，8°外倾的周边柱支承压缩环。7900m2伸缩式膜屋顶跨度83m，29根径向索跨越压缩环和舞台口的弧形钢桁架，增加了柔软剂的单层PVC膜位于径向索下，膜收起过程沿径向索滑动进入膜库，冬季膜需要存储和密封在膜库里。膜库端15根索降低1.60m，形成折叠式的山脊和山谷线，用于排水并提高刚度。

图12 Batumi夏季音乐厅

加拿大温哥华BC Place体育1986年建成，227m×186m，可容纳6万人,曾是世界上最大的气承式充气圆顶体育馆。因膜材老化2007年曾被大风吹坏。2010年奥林匹克冬季运动会后，已更换为新的开合屋盖结构。混凝土结构上高达47.5m的36根桅杆支承36榀径向索桁架形成屋盖主结构。采用性能更好的PTFE纤维膜做成36个充气垫，沿下弦径向索滑动构成伸缩式屋顶，跨度70m，覆盖8500m2。永久荷载作用下的气垫内压是500Pa，如果屋顶受到雪压将增加到2000Pa。收缩过程气垫首先放气，然后折叠缩回。最大担忧之一是收缩之前空气量不能完全放掉，为此上层膜设置70mm直径管，以便排风机抽气，保证折叠到最小的尺寸。固定内环和伸缩式屋顶的过渡区是钢环桁架支承的玻璃顶，边缘有充气密封系统。

图13 新BC Place体育馆

波兰国家体育场位于首都华沙，平面尺寸280m×245m，覆盖近 70000 m2，55000座，为主办2012年欧洲杯足球赛而建。碗结构周围72根柱支承下压缩环，替代上压缩环的是斜杆。辐射布置索桁架的径向索互相交叉，增加倾斜，提高刚度。固定屋盖54000m²，采用PTFE膜覆盖看台，内边缘10m宽为热增强玻璃屋顶4000m²；外部上径向索连接到张力环，支承10m宽悬挑玻璃顶和悬挂伸缩式膜。内部下径向索只用4组索（每组3根），在草地上空对角线布置，使遮挡场地上空的结构数目最少。开合屋盖11000m2，用PVC膜沿着60根内部上径向索跨越中央的枢纽和张力环之间，覆盖草坪。

图14 波兰国家体育场

自从加拿大蒙特利尔“斜塔”体育馆伸缩式开合不成功后，这种形式已经很少采用。上面这三个伸缩式开合膜结构都是Schlaich事务所的作品，他们详细研究了合理的伸缩方式，并且都采用了先进的膜材，成功地实现了包括气垫在内的膜结构伸缩式开合。

巴西首都巴西利亚新建的马内加林沙（Mane Garrincha）国家球场，70402座，用膜结构覆盖物面和墙面，也采用了伸缩式开合方式。固定屋面采用40000m2 TiO2/PTFE膜，伸缩式开合膜屋面为40500 m2 PTFE网格膜，墙面是4000 m2 PTFE膜（图15）。

图15 马内加林沙国家球场

6、超大空间膜结构

哈萨克斯坦Khan Shatyr娱乐中心位于首都阿斯塔纳市，那里有从-40ºC到+40ºC的极端气候。娱乐中心内游客可以购物、 看电影及享受用餐，设有慢跑的路径、 微型高尔夫。在最高的独立屋顶，是热带的沙滩和温暖的泳池。

该结构长轴140m、短轴120m，中央三脚架150m高，屋顶表面积19000m2。从高度70m至125m，成对使用192根38mm直径径向索，辅以环向索抗扭，外表面使用ETFE完全透明膜气枕。索与膜需要相对较高的预应力以控制变形，约需提高10-20%，控制索最大变形800mm，铝框设计需适应变形。顶环直径20m，采用150mm厚钢板，顶部结构设百叶保证通风。低温下ETFE会变硬，设计中须关注。

图16 Khan Shatyr娱乐中心

膜结构在大型工程中应用多体现在体育场馆，展示了膜结构应用于大跨度屋盖结构的优势。图16则是用膜结构覆盖超大空间、构建人工环境的一个成功案例。国际上已有不少学者在探讨构建500m-1000m超大空间的可行性，图17是用索与膜覆盖伦敦某街区的方案。我国也应该多专业联合开展探索性研究，以迎接未来的挑战。

图17 覆盖伦敦某街区方案

二、新的应用领域不断拓宽

韩国丽水世博会国际馆屋盖造型的寓意为丽水的海浪与岛屿，采用钢结构骨架支承膜结构。屋面上共11个岛屿，七个不同大小和形状。最小14×14×5.3m，重约95kN；最大22×18×7.8m，重约203 kN。岛屿既是造型，又在内部设有通风口，为下部展厅自然通风，内外均采用半透明的二氧化钛PVC膜覆盖。显然用膜材覆盖复杂曲面比钢材方便得多。

图18 丽水世博会国际馆屋盖

印度德里大型系留气球 (Aerostat )用于2010年英联邦运动会开幕式和闭幕式，80m长、40m宽和12m高， 22000m3体积内充氦气，使用近10000m2的PVC织物和约五公里长的缆索，创造了世界上最大的投影面（图19）。 主体可拆分成四个部分，在德里现场组装。在体育场的最后活动和闭幕式之间短短 12小时内重新安装。

设计师哈波尔德为卡塔尔多哈2022年足球世界杯提出的Sheikh Zayed体育场开合屋盖方案也采用了可驱动的巨型充气顶（图20），也许会发展成为一种新型屋盖体系。

图19 德里大型系留气球

图20 Sheikh Zayed体育场方案

德国柏林东南约100公里休闲公园湖边57m高的Teichland观光塔，塔内是垂直的混凝土楼梯。外表面的创意是凹凸的皮肤，采用大约1100m2张力膜实现。由顶部和底部的两个环，固定三片47m高的PTFE膜（TiO2 ），辅以竖向索（图21），造型美观，制作方便。

韩国丽水世博会主题馆140m长，高3到13m，形如一条鱼。为获得鱼鳞的模拟视觉效果，表面采用108片玻璃钢百叶，最长13m，厚9毫米。底部边缘固定，顶部由伺服电机驱动的伸缩致动器推上或降低边缘，导致百叶弹性弯曲和侧旋转。电脑控制总线系统控制致动器的同步，也可以单独处理每个百叶窗，并链接到互联网。13 米百叶窗的开放过程需要旋转60°和移动450mm，一次打开/关闭进程大约 30 秒。日落之后可打开LED灯，获得不同角度的效果。这里采用的虽然不是膜材，但这种应用理念很值得借鉴。

图21观光塔图22 世博会主题馆

阿拉伯联合酋长国首都阿布扎比投资委员会新指挥部采用这种理念实现了智能遮阳系统。系统是由铝框+遮阳网格膜、电机及智能控制系统组成，共2100个开合膜单元，每一个单元由6片网格膜构成，总面积约为23,000㎡。随着太阳沿楼体的移动，遮阳网格膜可随时间逐渐呈现张开或关闭状态，根据外部环境的变化对大楼的内部温度、光线进行智能调节（图23）。既节省能源，也避免了大面积玻璃反光造成光污染。

图23阿布扎比投资委员会新指挥部

艺术家Anish Kapoor在法国巴黎系列展中展出了大海兽（Leviathan）。这是一个充气膜结构艺术品，72000 m 3 充气雕塑，35m高，33m宽，72m长，形如三个相互关联的球形“灯泡”，最大挑战是凸起的中央穹顶和通往灯泡的狭窄区（图24）。 新西兰奥克兰机场毛利树，投影28m×21.6m，高9m。树顶是环型桁架结构，悬挂PTFE织物，表面面积577m2，表面是投影连续的360度图像（图25）。

图24 大海兽图25 毛利树

还有如膜结构在克罗地亚机场航站楼中的应用（图26）。ETFE膜材用于地铁出入口（图27）、墙面（图28）等。

这些实例表明膜结构已经进入了艺术与装饰领域，应用更为广泛。

（作者：张毅刚）

更多内容见《钢结构》2013.11期

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转自：钢结构-公众号